Diseño y construcción de un horno o cuarto de secado para pintura electrostática de tableros eléctricos para la empresa Solelec S A

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN CUARTO DE SECADO DE PINTURA ELECTROSTÁTICA PARA TABLEROS ELÉCTRICOS COMBINANDO ENERGÍA RENOVABLE Y NO RENOVABLE. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. JOSÉ ANDRÉS PORTALANZA BRITO [email protected]. DIRECTOR: ING MIGUEL DARÍO ORTEGA LÓPEZ, Msc. [email protected]. Quito, Febrero 2014.

(2) i. DECLARACIÓN. Yo, JOSE ANDRES PORTALANZA BRITO, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo los derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por normativa institucional vigente.. __________________________ JOSE ANDRES PORTALANZA BRITO.

(3) ii. CERTIFICACIÓN. Certifico que bajo mi dirección, el presente proyecto de titulación fue realizado en su totalidad por el señor: JOSE ANDRES PORTALANZA BRITO.. ____________________________ Ing. Miguel Ortega, MSc. DIRECTOR DEL PROYECTO. ___________________________ Ing. Daniel Zapata COLABORADOR.

(4) iii. AGRADECIMIENTOS A mi madre Elena, por su amor y cariño. Por su compañía y fortaleza, por darme fuerzas cada día para superar todos los retos que se me presentan. A mi padre Armando, por su apoyo. Por demostrarme que la vida está lleno de retos que hay que superar y concluirlos de la mejor manera. A mis hermanos y hermanas que me aconsejaron durante toda la vida y me apoyaron de una u otra forma a culminar con este trabajo. A mi novia por su amor constante y por soñar cada día por un futuro próspero. A mis amigos 8 y ½, Marco T., Pancho, Edison, Ricardo, Dianita, Diego C., por compartir tantos buenos momentos. Al Ingeniero Miguel Ortega, por apoyarme en la realización de este proyecto desde el comienzo cuando más lo necesitaba, hasta finalizarlo. Por todos los consejos muy bien brindados para crear un diseño innovador y creativo. Al resto de amigos y conocidos que hicieron que el transcurso de mi vida estudiantil sea acogedora.. JOSÉ ANDRÉS.

(5) iv. DEDICATORIA. El presente proyecto se lo dedico a todas las personas que siempre confiaron en mí, en especial: A mis padres A mis hermanos Amigos y compañeros. JOSÉ ANDRÉS.

(6) v. CONTENIDO. ÍNDICE DECLARACIÓN ............................................................................................................... i CERTIFICACIÓN ............................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS .................................................................................................... iii DEDICATORIA .............................................................................................................. iv CONTENIDO ................................................................................................................... v ÍNDICE ............................................................................................................................ v ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................... xv ÍNDICE DE TABLAS.................................................................................................... xix SIMBOLOGÍA .............................................................................................................. xxi RESUMEN .................................................................................................................. xxv PRESENTACIÓN ..................................................................................................... xxviii CAPÍTULO I .................................................................................................................... 1 FUNDAMENTOS ............................................................................................................ 1 1.1. ESTUDIO DE LA PINTURA ELECTROSTÁTICA .......................................... 2. 1.1.1. ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LA PINTURA EN POLVO ......... 2. 1.1.2. PROPIEDADES MECÁNICAS ................................................................ 3. 1.2. COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE PINTURAS .................. 4. 1.2.1. EPOXI ..................................................................................................... 4. 1.2.2. EPOXI - POLIÉSTER .............................................................................. 4.

(7) vi 1.2.3 1.3. POLIÉSTER T.G.I.C ............................................................................... 5. TRATAMIENTO DE GALVANIZACIÓN ......................................................... 6. 1.3.1. DESENGRASADO .................................................................................. 7. 1.3.2. ENJUAGUE............................................................................................. 7. 1.3.3. DECAPADO ............................................................................................ 7. 1.3.4. ENJUAGUE............................................................................................. 7. 1.3.5. FLUX ....................................................................................................... 8. 1.3.6. ZINC FUNDIDO ...................................................................................... 9. 1.4. VIDA ÚTIL DEL ACERO GALVANIZADO...................................................... 9. 1.5. PRE PROCESO DE PINTADO PARA LÁMINAS DE TOL GALVANIZADO CON PINTURA ELECTROSTÁTICA. ........................................................... 9. 1.5.1. DESENGRASADO ................................................................................ 10. 1.5.2. FOSFATIZADO ..................................................................................... 10. 1.5.3. SECADO ............................................................................................... 11. 1.6. PROCESO PARA LA APLICACIÓN DE PINTURA ELECTROSTÁTICA..... 11. 1.7. CICLONES O RECOLECTADORES DE PINTURA EN POLVO ................. 13. 1.8. SISTEMAS CONVENCIONALES PARA CUARTOS DE SECADO ............. 14. 1.8.1. SISTEMAS ELÉCTRICOS .................................................................... 14. 1.8.2. SISTEMA INFRARROJO ...................................................................... 14. 1.8.3. QUEMADOR A GAS ............................................................................. 16. 1.9. CARACTERÍSTICAS ESENCIALES PARA EL SECADO DE LA PINTURA ELECTROSTÁTICA. .................................................................................. 16. 1.10. INSPECCIÓN DEL TABLERO PINTADO .................................................... 17. 1.10.1 MEDICIÓN DEL ESPESOR .................................................................. 17 1.10.2 EVALUACIÓN DE LA ADHESIóN ......................................................... 18 1.10.3 EVALUACIÓN DEL SECADO ............................................................... 18.

(8) vii 1.10.3.1 Prueba de dureza con lápiz (ASTM D 3363) ................................... 18 1.10.3.2 Prueba de papel lija ......................................................................... 18 1.11. IDENTIFICACIÓN DEL TABLERO ELÉCTRICO ......................................... 18. 1.11.1 USOS DEL TABLERO ELÉCTRICO ..................................................... 19 1.11.2 VIDA ÚTIL ............................................................................................. 19 1.11.3 PROCESO DE PRODUCCIÓN ............................................................. 20 CAPITULO II ................................................................................................................. 22 ALTERNATIVAS RENOVABLES Y NO RENOVABLES. ............................................ 22 2.1 FUENTE DE ENERGÍA ................................................................................... 22 2.1.1. ENERGÍAS RENOVABLES .................................................................... 22. 2.1.2 ENERGÍAS NO RENOVABLES .............................................................. 23 2.2 ESTUDIO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES .............................................. 23 2.2.1. ENERGÍA SOLAR ................................................................................. 24. 2.2.2. ENERGÍA EÓLICA ................................................................................. 25. 2.2.2.1 Ventajas de la energía eólica ........................................................... 25 2.2.2.2 Desventajas de la energía eólica ...................................................... 26 2.2.3. ENERGÍA HIDRÁULICA ......................................................................... 26. 2.2.4 ENERGÍA GEOTÉRMICA ....................................................................... 27 2.2.5 ENERGÍA MAREOMOTRIZ...................................................................... 28 2.2.6 ENERGÍA UNDIMOTRIZ .......................................................................... 28 2.3 ESTUDIO DE LAS ENERGÍAS NO RENOVABLES ........................................ 29 2.3.1 COMBUSTIBLES FÓSILES ..................................................................... 30 2.3.1.1 Petróleo ............................................................................................. 30 2.3.1.2 Carbón ............................................................................................... 31 2.3.1.3 Gas natural ........................................................................................ 32.

(9) viii 2.3.2 COMBUSTIBLES NUCLEARES ............................................................... 33 2.4 SELECCIÓN ENTRE ALTERNATIVAS RENOVABLES .................................. 34 2.5 SELECCIÓN ENTRE ALTERNATIVAS NO RENOVABLES ........................... 38 2.6 ESTUDIO DE LAS DISTINTAS FORMAS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA CON RADIACIÓN SOLAR. ........................................................................ 39 2.6.1 RECURSO ENERGÉTICO DISPONIBLE................................................ 39 2.6.1.1. Componentes de la radiación solar ................................................. 40. 2.6.1.1.1 Radiación solar directa ............................................................ 40 2.6.1.1.2 Radiación solar difusa .............................................................. 40 2.6.1.1.3 Radiación solar reflejada ......................................................... 41 2.6.1.1.4 Radiación solar global .............................................................. 41 2.6.2 INSTRUMENTOS DE MEDIDA ................................................................ 41 2.6.2.1 Heliógrafo ........................................................................................... 42 2.6.2.2 Termómetro ambiental........................................................................ 43 2.6.2.3 Termohigrómetro ................................................................................ 44 2.6.2.4 Anemómetro ....................................................................................... 44 2.6.3 COLECTORES SOLARES SIN CONCENTRACIÓN, C=1 ....................... 46 2.6.3.1 Colectores solares planos sin cubierta .............................................. 46 2.6.3.2 Colectores solares planos con cubierta ............................................. 47 2.6.3.3 Colectores de tubos al vacío ............................................................ 47 2.6.4 COLECTORES SOLARES CON CONCENTRACIÓN, C>1 ..................... 48 2.6.4.1 Concentrador solar cilindro parabólico .............................................. 49 2.6.4.2 Concentrador paraboloide de revolución ........................................... 50 2.6.5 PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS ................................................. 50 2.6.5.1 Ventajas de la energía solar fotovoltaica ............................................ 51.

(10) ix 2.6.5.2 Desventajas de la energía solar fotovoltaica ...................................... 51 2.6.6 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO CON ENERGÍA RENOVABLE .......... 51 2.7 ESTUDIO DE LAS DISTINTAS FORMAS DE GENERACIÓN DE ENERGÍA CON LOS DERIVADOS DEL PETRÓLEO. ................................................ 52 2.7.1 GAS LICUADO DE PETRÓLEO (GLP) .................................................... 52 2.7.2 DIÉSEL ..................................................................................................... 53 2.7.3 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO CON ENERGÍA NO RENOVABLE ... 53 2.8. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR .................................................................. 54. 2.8.1 FLUJO INTERNO ...................................................................................... 55 2.8.1.1 Flujo laminar ....................................................................................... 55 2.8.1.2 Flujo turbulento ................................................................................... 56 2.8.1.3 Coeficiente interno de transferencia de calor ..................................... 57 2.8.2 FLUJO EXTERNO ..................................................................................... 57 2.9 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR .......................... 59 2.10 MÉTODO DE LA DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURA ................................................................................................................... 60 2.11 MÉTODO DE LA EFICIENCIA VS NTU ......................................................... 61 2.12 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO PARA EL DISEÑO DE LA CHIMENEA.... 62 2.13 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE PRESIÓN DEL VENTILADOR ........... 64 2.13.1 CAÍDA DE PRESIÓN EN DUCTOS ........................................................ 67 2.13.1.1 Pérdidas por fricción. ........................................................................ 68 2.13.1.2 Pérdidas por cambio de sección ....................................................... 68 2.13.2 CAÍDA DE PRESIÓN EN INTERCAMBIADOR DE CALOR .................... 69 2.13.3 PRESIÓN TOTAL REQUERIDA .............................................................. 69 2.13.4 PRESIÓN ESTÁTICA PARA LA SELECCIÓN DEL VENTILADOR ........ 70.

(11) x 2.14 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULOS Y SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................................... 70 2.14.1 PANELES FOTOVOLTAICOS................................................................. 71 2.14.2 FORMA DE CONECTAR PANELES SOLARES ..................................... 72 2.14.3 EFECTO DE LA TEMPERATURA SOBRE EL SISTEMA ....................... 73 2.14.4 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA DE PANELES FV .. 74 2.14.4.1 Regulador de carga .......................................................................... 74 2.14.4.2 Baterías o acumuladores .................................................................. 75 2.14.4.3 Inversores de voltaje ........................................................................ 76 2.14.5 ENERGÍA TOTAL CONSUMIDA ............................................................. 76 2.14.6 CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL NÚMERO DE PANELES ...................... 77 2.14.7 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LAS BATERÍAS ...................................... 78 2.14.8 CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL REGULADOR DE CARGA ................... 79 2.14.9 SELECCIÓN DEL INVERSOR ................................................................ 79 2.15 SISTEMA DE CONTROL ............................................................................... 80 2.15.1 TERMOCUPLA ........................................................................................ 81 2.15.2 CONTROLADOR O PLC ......................................................................... 81 2.15.3 ACTUADORES ELÉCTRICOS ................................................................ 82 2.15.4 SOFTWARE DE PROGRAMACIÓN........................................................ 82 CAPITULO III ................................................................................................................ 84 DISEÑO DEL CUARTO DE SECADO .......................................................................... 84 3.1 ESTRUCTURA DEL CUARTO DE SECADO ................................................... 84 3.1.1 ESTRUCTURA 1 ....................................................................................... 84 3.1.2 ESTRUCTURA 2 ....................................................................................... 85 3.1.3 ESTRUCTURA 3 ....................................................................................... 85.

(12) xi 3.1.4 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE ESTRUCTURA .......................... 87 3.1.5 VOLUMEN INTERNO .............................................................................. 88 3.2 CÁLCULO DEL CALOR TOTAL. .................................................................... 89 3.2.1 CALOR NECESARIO PARA CALENTAR LOS TABLEROS ................... 89 3.2.2 CALOR PERDIDO EN LAS FRONTERAS .............................................. 91 3.2.3 CALOR PARA CALENTAR LAS PLACAS INTERNAS DEL HORNO ...... 94 3.2.4 CALOR PARA CALENTAR EL AIRE INTERNO INICIAL ........................ 95 3.2.5 POTENCIA TOTAL PARA EL INTERIOR DEL HORNO ........................... 95 3.3 ANÁLISIS DE LA COMBUSTIÓN DEL DIÉSEL ............................................. 103 3.3.1 ECUACIÓN REAL DE LA COMBUSTIÓN DEL DIÉSEL ........................ 106 3.3.2 CÁLCULO DE LA TEMPERATURA ADIABÁTICA ................................. 110 3.3.3 CÁLCULO DEL FLUJO DE COMBUSTIBLE Y LOS GASES DE COMBUSTIBLE ................................................................................. 112 3.4 SELECCIÓN DEL QUEMADOR DE DIÉSEL ................................................. 113 3.4.1 TEMPERATURA DE SALIDA DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN ....... 114 3.4.2 PROPIEDADES DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN ............................ 115 3.5 ANÁLISIS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR ........................................... 116 3.5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN FORZADA ........... 116 3.5.2 CANTIDAD DE FLUJO MÁSICO DE AIRE............................................. 117 3.5.3 TEMPERATURA DE SALIDA DEL AIRE A TRAVES DEL ARREGLO DE TUBOS .............................................................................................. 118 3.6 DETERMINACIÓN DE LOS COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR CON EL QUEMADOR DE diésel ................................................ 119 3.6.1 CALOR TRANSFERIDO POR EL ARREGLO DE TUBOS 1 ................... 120 3.6.1.1 Flujo interno ...................................................................................... 120 3.6.1.2 Flujo externo ..................................................................................... 122.

(13) xii 3.6.1.3 Coeficiente global de transferencia de calor para los tubos ............. 124 3.6.1.4 Método de la diferencia media logarítmica de temperatura .............. 125 3.6.1.5 Calor transmitido por el arreglo de tubos .......................................... 126 3.6.2 CALOR TRANSFERIDO DESDE EL HOGAR DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR .............................................................................................. 127 3.6.2.1 Flujo externo ..................................................................................... 127 3.6.2.2 Calor transferido por el hogar ........................................................... 128 3.6.3 CALOR TRANSFERIDO POR EL ARREGLO DE TUBOS 2 ................... 129 3.6.3.1 Flujo interno ...................................................................................... 129 3.6.3.2 Flujo externo ..................................................................................... 131 3.6.3.3 Coeficiente global de transferencia de calor para los tubos ............. 133 3.6.3.4 Método de la diferencia media logarítmica de temperatura .............. 134 3.6.3.5 Calor transmitido por el arreglo de tubos .......................................... 134 3.6.4 CALOR TOTAL TRANSFERIDO DESDE EL INTERCAMBIADOR DE CALOR .............................................................................................. 134 3.7 DISEÑO DE LA CHIMENEA........................................................................... 135 3.8 CÁLCULO DE PRESIÓN DEL VENTILADOR ................................................ 137 3.8.1 CAÍDA DE PRESIÓN EN DUCTOS ........................................................ 137 3.8.2 CAÍDA DE PRESIÓN EN INTERCAMBIADOR DE CALOR .................... 139 3.8.2.1 Caída de presión en el arreglo de tubos 1 ........................................ 139 3.8.2.2 Caída de presión en el arreglo de tubos 2 ........................................ 140 3.8.3 PRESIÓN TOTAL REQUERIDA .............................................................. 141 3.8.4 PRESIÓN ESTÁTICA PARA LA SELECCIÓN DEL VENTILADOR ........ 141 3.9 SISTEMA DE PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS ............................... 142 3.9.1 ENERGÍA TOTAL CONSUMIDA ............................................................. 142 3.9.2 CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL NÚMERO DE PANELES ...................... 145.

(14) xiii 3.9.3 CÁLCULO Y SELECCIÓN DE LAS BATERÍAS ...................................... 146 3.9.4 CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL REGULADOR DE CARGA ................... 146 3.9.5 SELECCIÓN DEL INVERSOR ................................................................ 147 CAPÍTULO IV ............................................................................................................. 149 CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y PRUEBA ................................................................ 149 4.1 CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LAS PAREDES ...................... 150 4.2 CONSTRUCCIÓN DE LOS ESPEJOS DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN 152 4.3 CONSTRUCCIÓN DEL HOGAR DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN .......... 153 4.4 CONSTRUCCIÓN DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR .............................. 155 4.5 POSICIONAMIENTO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ................................ 156 4.5.1 ÁNGULO DE AZIMUT ............................................................................. 156 4.5.2 ÁNGULO DE INCLINACIÓN ................................................................... 158 4.6 PRUEBAS EN EL CUARTO DE SECADO ..................................................... 159 4.6.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................................. 162 4.7 MANUAL DE OPERACIÓN DEL CUARTO DE SECADO ............................. 163 4.8. SEGURIDAD INDUSTRIAL PARA LA OPERACIÓN DEL CUARTO DE SECADO .................................................................................................. 164. 4.8.1 SEÑALIZACIÓN DEL LUGAR DE TRABAJO ......................................... 165 4.8.2 EQUIPO DE SEGURIDAD INDUSTRIAL PARA LOS OPERARIOS ...... 169 4.9 MANTENIMIENTO DEL CUARTO DE SECADO .......................................... 170 CAPITULO V .............................................................................................................. 174 ANÁLISIS ECONÓMICO ............................................................................................ 174 5.1 COSTOS DE MATERIALES ........................................................................... 174 5.2 COSTOS DE FABRICACIÓN ......................................................................... 174 5.3 COSTOS DE EQUIPOS ................................................................................. 176.

(15) xiv 5.4 COSTOS DE ENSAMBLAJE Y MONTAJE .................................................... 177 5.5 COSTOS INDIRECTOS ................................................................................. 178 5.6 COSTO TOTAL .............................................................................................. 178 5.7 RENTABILIDAD DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO ........................................ 179 CAPITULO VI ............................................................................................................. 181 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................. 181 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 184 ANEXOS ..................................................................................................................... 186.

(16) xv. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1. 1 Tiempo de curado de la pintura epoxi ...................................................4 Figura 1. 2 Tiempo de curado de la pintura epoxi – poliéster (híbridas) .................5 Figura 1. 3 Tiempo de curado de la pintura poliéster T.G.I.C..................................5 Figura 1. 4 Pistola para la aplicación de pintura electrostática..............................12 Figura 1. 5 Equipo para pintado de pintura en polvo .............................................12 Figura 1. 6 Ciclón para pintura electrostática ........................................................13 Figura 1. 7 Hornos eléctricos para secado de pintura en polvo ............................14 Figura 1. 8 Hornos infrarrojos para el secado de pintura electrostática ................15 Figura 1. 9 Paneles infrarrojos ..............................................................................15 Figura 1. 10 Horno a gas para pintura electrostática ............................................16 Figura 1. 11 Tablero eléctrico mediano .................................................................19. Figura 2.1 Diversas fuentes de energía ................................................................23 Figura 2. 2 Parque eólico de Sierra de los Caracoles, Uruguay. ...........................25 Figura 2. 3 Represa hidroeléctrica Agoyan, Ecuador ............................................27 Figura 2. 4 Planta geotérmica de Nesjavellir en Islandia.......................................28 Figura 2.5 Principio de funcionamiento de un equipo mareomotriz .......................29 Figura 2.6 Equipo undimotriz en operación. ..........................................................29 Figura 2.7 Diagrama de descomposición de diésel en una torre de destilación. ...31 Figura 2.8 Reservas de carbón en el mundo ........................................................32 Figura 2. 9 Central Nuclear en China ....................................................................33 Figura 2. 10 Componentes de la radiación solar ...................................................40 Figura 2. 11 Heliógrafo. .........................................................................................43 Figura 2. 12 Termómetro ambiental y termo higrómetro. ......................................44 Figura 2. 13 Anemómetro......................................................................................45 Figura 2. 14 Colectores Solares Planos ................................................................47 Figura 2. 15 Colector solar de tubos al vacío ........................................................48.

(17) xvi Figura 2. 16 Concentrador cilíndrico parabólico. ...................................................49 Figura 2. 17 Concentrador Paraboloide de Revolución .........................................50 Figura 2. 18 Tipos de intercambiadores de calor cruzados ...................................54 Figura 2.19 Arreglos de tubos en un banco. (a) Alineados. (b) Escalonados........58 Figura 2.20 Representación de un tubo del intercambiador de calor. ...................60 Figura 2. 21 Componentes de un panel solar fotovoltaico ....................................71 Figura 2. 22 Efecto de la temperatura en la corriente y el voltaje .........................73 Figura 2. 23 Regulador de carga Morningstar – SunSaver ...................................75 Figura 2. 24 Componentes de una batería de energía eléctrica ...........................75 Figura 2. 25 Inversor de voltaje .............................................................................76 Figura 2.26 Tipos de termopares y su respectivo rango de temperatura ..............80 Figura 2. 27 Componentes de un PLC ..................................................................81 Figura 2. 28 Forma de conexión de un motor a través de un PLC. .......................82. Figura 3.1 Estructura 1 con simulación de la trayectoria del aire dentro del cuarto de secado .................................................................................................85 Figura 3. 2 Estructura 2 con simulación de la trayectoria del aire en el cuarto de secado .............................................................................................................86 Figura 3. 3 Estructura 3 con simulación de la trayectoria del aire en el cuarto de secado .............................................................................................................86 Figura 3. 4 Vista superior interna del cuarto de secado (Distancias en metros) ...88 Figura 3. 5 Vista Frontal interna del cuarto de secado (Distancias en metros) .....89 Figura 3. 6 Diagrama de flujo de calor necesario en el cuarto de secado .............90 Figura 3.7 Representación de las pérdidas en la frontera .....................................92 Figura 3. 8 Representación de las pérdidas en el piso..........................................93 Figura 3. 9 Representación de un sólido enfriado en un medio frio ......................96 Figura 3. 10 Cambio de temperatura en función del número de Biot ....................97 Figura 3. 11 Cambio de la temperatura en función del tiempo ............................100 Figura 3. 12 Simulación de la temperatura del aire del cuarto de secado durante los 6 primeros minutos ...............................................................................102.

(18) xvii Figura 3. 13 Comparación del calentamiento del aire y de las láminas de los tableros eléctricos considerando un aumento de 7.5°C/min en la temperatura del aire ...........................................................................................................102 Figura 3. 14 Quemador Wayne ...........................................................................104 Figura 3. 15 Componentes de un quemador de líquido por pulverización de presión directa ................................................................................................105 Figura 3. 16 Curva característica CFM vs KW ....................................................117 Figura 3. 17 Vista del hogar y del arreglo de tubos 1 del cuarto de secado, modelado en SolidWorks .........................................................................................120 Figura 3.18 Medidas internas del espejo del intercambiador de calor de los gases de combustión. .......................................................................................122 Figura 3.19 Variación de temperaturas entre el fluido caliente (gases) y el fluido frio (aire). .................................................................................................125 Figura 3. 20 Vista lateral del intercambiador de calor en el cuarto de secado ....129 Figura 3.21 Medidas internas del espejo del intercambiador de calor de los gases de combustión. .......................................................................................131 Figura 3. 22 Simulación codo rectangular en el inferior de la cámara de transferencia de calor ...................................................................................................137 Figura 3. 23 Intersección del hogar en la trayectoria del aire ..............................138 Figura 3. 24 Quemador instalado ........................................................................143 Figura 3. 25 Motor del ventilador Siemens ..........................................................143. Figura 4. 1 Símbolos para la elaboración de diagramas de procesos .................149 Figura 4. 2 Proceso de construcción de la estructura de las paredes. ................150 Figura 4.3 Simulación de la estructura del cuarto de secado ..............................151 Figura 4. 4 Proceso de construcción de los espejos del intercambiador de calor152 Figura 4.5 Simulación del ducto de los gases de combustión .............................153 Figura 4.6 Proceso de construcción del hogar ....................................................154 Figura 4. 7 Simulación del hogar de los gases de combustión ...........................154 Figura 4. 8 Simulación del intercambiador de calor sin tapas laterales ...............155 Figura 4.9 Proceso de construcción del intercambiador de calor ........................156.

(19) xviii Figura 4. 10 Ángulo de azimut respecto al generador fotovoltaico ......................157 Figura 4. 11 Ángulo de inclinación ......................................................................158 Figura 4. 12 Vista isométrica del cuarto de secado con la ubicación de la primera termocupla .........................................................................................160 Figura 4. 13 Vista isométrica del cuarto de secado con la ubicación de la segunda termocupla .........................................................................................160 Figura 4. 14 Variación de temperatura en función del tiempo dentro del cuarto de secado ...............................................................................................162 Figura 4. 15 Equipo de Protección para los operarios.........................................169.

(20) xix. ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1. 1 Pre – proceso para el pintado de pintura electrostática .........................1 Tabla 1. 2 Tratamiento de galvanizado ...................................................................1 Tabla 1. 3 Tabla comparativa de características .....................................................6 Tabla 1. 4 Total de años de protección según el tipo de atmósfera ......................10. Tabla 2. 1 Alternativas renovables ........................................................................34 Tabla 2. 2 Criterios para la selección de alternativas. ...........................................34 Tabla 2. 3 Ponderación a las alternativas renovables según los criterios .............36 Tabla 2. 4 Ponderación de las alternativas modificada .........................................37 Tabla 2. 5 Selección de la alternativa renovable ...................................................37 Tabla 2. 6 Heliofanía promedio de la ciudad de Riobamba ...................................42 Tabla 2. 7 Temperatura ambiental (ºC) de la Ciudad de Riobamba ......................43 Tabla 2. 8 Velocidad promedio del viento en la Ciudad de Riobamba ..................45 Tabla 2. 9 Clasificación de los ventiladores centrífugos ........................................65. Tabla 3. 1 Matriz de ponderación para la selección del tipo de estructura ............87 Tabla 3. 2 Propiedades del acero y del aire para el cálculo del tiempo de estabilización .............................................................................................................98 Tabla 3. 3 Cambio de temperatura en función del tiempo .....................................99 Tabla 3. 4 Entalpías de reactantes y productos de la combustión del diésel. .....111 Tabla 3. 5 Temperaturas de los productos de la combustión del diésel. .............112 Tabla 3.6 Propiedades de los gases de combustión a varias temperaturas. ......115 Tabla 3. 7 Análisis del flujo másico de aire .........................................................118 Tabla 3.8 Propiedades de los gases de combustión a 820°K .............................121 Tabla 3.9 Propiedades del aire a 310.05 °K ........................................................123 Tabla 3. 10 Constantes para la ecuación de Zhukauskas ...................................128.

(21) xx Tabla 3. 11 Características del motor del quemador ...........................................143 Tabla 3. 12 Características del motor del ventilador ...........................................144. Tabla 4. 1 Datos geográficos de Riobamba ........................................................158 Tabla 4. 2 Ángulo de inclinación en función de la latitud .....................................159 Tabla 4. 3 Medición de temperaturas con el horno en funcionamiento ...............161 Tabla 4. 4 Colores de seguridad y significado .....................................................166 Tabla 4. 5 Colores de contraste ..........................................................................167 Tabla 4. 6 Señales de seguridad con sus respectivos colores ............................167 Tabla 4. 7 Señales de aviso, precaución y seguridad .........................................168 Tabla 4. 8 Consideraciones para el uso de equipo de protección .......................169 Tabla 4. 9 Mantenimiento del Intercambiador de calor .......................................171 Tabla 4. 10 Mantenimiento del Cuarto interno ....................................................171 Tabla 4. 11 Mantenimiento de los Ventiladores ..................................................172 Tabla 4. 12 Mantenimiento del Quemador ..........................................................172 Tabla 4. 13 Mantenimiento del sistema fotovoltaico ............................................173. Tabla 5. 1 Costos de Materiales ..........................................................................175 Tabla 5. 2 Costos de Fabricación ........................................................................176 Tabla 5. 3 Costos de Equipos .............................................................................177 Tabla 5. 4 Costos de ensamblaje y montaje .......................................................177 Tabla 5. 5 Costos indirectos ................................................................................178 Tabla 5. 6 Costo total ..........................................................................................178.

(22) xxi. SIMBOLOGÍA. I. Radiación Solar incidente en la superficie terrestre. Go. Constante solar o radiación que llega a la atmósfera. Cos ᶲ. Coseno del ángulo de latitud geográfica,. n. Número de horas de sol brillante al día (heliofanía).. N. Número máximo de horas de sol al día en la localidad. ‫ݒ‬௠. Velocidad media. ܴ݁஽. Número de Reynolds. ᒡ௙௟௨௜ௗ௢. Flujo másico del fluido. ߩ. Densidad. ‫ܦ‬. Diámetro. ‫݌ܥ‬. Calor específico. ܰ. ‫ܣ‬௧ ߤ. Numero de tubos. Área transversal. Viscosidad cinemática. ݇. Conductividad térmica. ݄. Coeficiente de convección. . ݂. ܲ‫ݎ‬. ܰ‫ݑ‬. ‫ܪ‬௧௨௕௢௦. ܰ௘௦௣௔௖௜௢௦. Longitud. Rugosidad de la superficie Número de Prant Número de Nusselt Altura del intercambiador de calor Número de espacios entre tubos.

(23) xxii ்ܵ. Espaciado transversal. ‫ݒ‬௔௜௥௘. Velocidad del aire. ‫݌ܣ‬௔௜௥௘. Área transversal del intercambiador de calor. ‫ܣ‬௜. Área interior. ܵ௅. ᒡ௔௜௥௘. Espaciado Longitudinal. Flujo másico del aire. ‫ݒ‬௠௔௫. Velocidad máxima del aire. ‫ܣ‬ை. Área exterior. ‫ܣ‬௠ ‫ݏ‬. Espesor del tubo. U. Coeficiente global de transferencias de calor. ߂ܶ௠௔௫. Variación máxima de temperaturas. Área media. ߂ܶ௠௜௡. Variación mínima de temperaturas. ܰ௧. Número total de tubos del intercambiador de calor.. ߂݈ܶ݉. Diferencia media logarítmica de temperatura. ‫ݔܽ݉ܥ‬. Capacitancia máxima. ‫ݎܥ‬. Razón de capacitancias. ‫ݎܽ݃݋݄ܣ‬. Área del hogar. ܳ. Calor total. ‫ܨ‬. Factor de corrección.. ‫݊݅݉ܥ‬. Capacitancia minima. ߳. Eficiencia. ‫ܿݐܣ‬. ܷܰܶ. Área de transferencia de calor. Número de transferencia de unidades.

(24) xxiii ܲ. Diferencial de presión (tiro disponible).. ܲܿ. Carga de la velocidad a la salida.. ܾܲ. Pérdidas por curvaturas o cambios de sección.. ݂ܲ. Pérdidas por rozamiento.. ‫ܪ‬௖௛. Altura de la chimenea por encima de la entrada.. ݉௖௛. Flujo másico de los gases de combustión.. ܶ݃ ‫ݒ‬௚. Temperatura media de los gases de combustión.. Velocidad de los gases de combustión. ‫ܣ‬௖௛. Área de la chimenea. ݂௖௛. Factor de fricción. ݃. Gravedad. ݊. Factor de velocidades. ܰ௅. Número de líneas de tubos.. ܲூǤ஼ . Pérdidas del Intercambiador de calor. ݄. Diferencia de presión dinámica.. ܺ. Factor de correlación.. ݉݉ܿǤ ݀Ǥ ܽ. Milímetros de columna de agua. ‫ݓ‬Ǥ ܿ. Pulgadas de columna de agua. ܲܽ. Pascales. ܲ௘௦௧Ǥ. Presión estática. A. Amperaje. V. Voltaje. W. Watts. FV. Fotovoltaicos.

(25) xxiv ‫ܧ‬ௗ. Consumo de energía. ‫ݐ‬௖. ‫݌ܧ‬. Energía de los paneles. Wp. Potencia Pico. ‫ܫ‬ௗ. Tiempo de Intensidad HPS. ܹ‫݌‬௣. Potencia pico nominal del panel. ܰ‫݌‬. ܶܽ݉ܽÓ‫݋‬. Tiempo de consumo por día. Número de paneles. Energía hora acumulados por la bateria. ‫ܷܶܣ‬. Autonomía de días sin brillo solar. ‫ܦ‬௕. Descarga máxima de la batería. ܰ௧௔௕௟௘௥௢௦. Número de tableros. ܴ௕. ‫݄ܣ‬. Eficiencia de la batería. Cantidad de Amperios hora suministrada por la batería. ܸ௧௔௕௟௘௥௢. Volumen total de los tableros. ‫ܥ‬ଵଶ ‫ܪ‬ଶଷ. Composición química del diésel. ½௙௢. Entalpia de formación.. ݁. Espesor. ‫ܱܥ‬ଶ. Dióxido de carbono. ½. Entalpia sensible en estado especificado.. ‫ܥܣ‬. Relación aire combustible. ½௢. Entalpia sensible en el estado de referencia.

(26) xxv. RESUMEN El presente proyecto se fundamenta en el diseño y construcción de un horno o cuarto de secado para pintura electrostática de tableros eléctricos para la empresa Solelec.S.A. Se inicia con la recopilación de la información acerca de los aspectos fundamentales sobre la pintura electrostática en polvo, así como su forma de aplicación y su clasificación, para determinar que pintura electrostática es la más conveniente para la empresa y de esta manera verificar cual es la temperatura de operación del cuarto de secado. Además de realizar un estudio acerca de los tableros eléctricos como es su aplicación y su forma de construcción. Se investiga cuáles son las formas más representativas de verificar si la pintura electrostática en polvo de un tablero eléctrico se encuentra bien secada o curada y de esta manera controlar que el producto pintado se encuentre listo para la venta. Posteriormente se realizó un estudio de las diferentes formas de generación de energía o calor entre energías renovables y no renovables y a través de varios criterios de selección y determinar que energía renovable y no renovable es más acorde para el proyecto. A través de la experiencia y visualización de varios hornos se seleccionó cual debe ser el tipo de flujo de transferencia de calor en este caso el flujo cruzado a través de un banco de tubos; y de esta manera realizar un estudio de la forma de cálculo de los coeficientes de transferencia de calor, tan útiles para determinar el calor extraído desde los gases de combustión hacia el aire que calienta el horno o cuarto de secado. Así como se realizó el estudio de los coeficientes de transferencia de calor, también se estudia los procedimientos para diseñar y construir la chimenea y el ventilador para alta temperatura, que son partes fundamentales para el funcionamiento del cuarto de secado. Una vez seleccionada el tipo de energía renovable, se determina cuáles son las partes fundamentales para el correcto uso de dicha energía. Además de estudiar las partes.

(27) xxvi constituyentes del sistema de control básico para el funcionamiento del cuarto de secado. A continuación, se inicia con el diseño del cuarto de secado, analizando varias alternativas de estructuras y seleccionando la más eficiente con respecto a varios criterios de selección; para posteriormente determinar las dimensiones necesarias para el cuarto de secado de tableros eléctricos. A través de los programas de dibujo y simulación Inventor Autodesk y Solidworks, se realiza todo el dimensionamiento y ensamble de las partes constituyentes del cuarto de secado. El punto clave para el diseño del cuarto de secado es la determinación del calor que se debe vencer para alcanzar la temperatura de equilibrio y de esta manera poder polimerizar la pintura electrostática en polvo. Posteriormente, se realiza un estudio de los quemadores líquidos como sus partes constituyentes y de esta manera determinar las propiedades de la combustión del diésel así como la selección del quemador diésel. A continuación se determina el calor proporcionado por la combustión del diésel hacia el aire y verificar si el calor difundido por los tubos y el hogar de transferencia de calor es el necesario para que cumpla con los requerimientos antes mencionados. Además de verificar el calor necesario, se diseña partes tan importantes como la chimenea y el ventilador. Una vez obtenido el consumo eléctrico de los equipos del cuarto de secado, se determina y selecciona los componentes necesarios para el funcionamiento del sistema fotovoltaico. Posteriormente se realiza el capítulo de construcción, prueba y montaje; en donde se indica el procedimiento a seguir para la construcción de las diferentes partes del cuarto de secado para luego poder ensamblarlo totalmente. Luego se determinan las temperaturas comparando con tiempos para verificar los tiempos utilizados en los cálculos. Y finalmente se realiza una verificación de las propiedades mecánicas de la pintura electrostática en los tableros eléctricos..

(28) xxvii Finalmente se realiza un estudio económico de la construcción y puesta en marcha del cuarto de secado, además de determinar un tiempo de recuperación de la inversión del sistema fotovoltaico..

(29) xxviii. PRESENTACIÓN La utilización de la pintura electrostática en polvo ha incrementado en los últimos años ya sea por sus excelentes propiedades mecánicas o por su facilidad de recolección de residuos de pintura para su próximo uso, lo cual lo hace muy rentable. Es por esta razón que la mayoría de industrias han tratado de implementar este método de pintura para la protección de sus equipos y herramientas, ya que tiene excelentes propiedades al impacto y a la corrosión, que son las más grandes desventajas cuando lo comparamos con el método convencional de pintura líquida. Para el curado o secado de la pintura electrostática en polvo se hace necesario que el cuarto de secado tenga una temperatura uniforme en todos los puntos que lo constituyen. Además de que el aire que caliente al cuarto no tenga una velocidad alta, que pueda desprender la pintura en polvo que se depositó en los tableros eléctricos. Un proceso de calentamiento uniforme del tablero eléctrico dentro del cuarto de secado, hace que el tiempo de curado de la pintura en polvo disminuya; por lo tanto las 2 variables esenciales que se deben controlar son la temperatura y el tiempo de exposición de calor en la pintura. A partir de estas condiciones se realizó el siguiente proyecto, que se enfoca en el diseño y construcción de un cuarto de secado para tableros eléctricos para una mediana empresa de la ciudad de Riobamba, ya que con anterioridad realizó el estudio económico de la adquisición de los tableros metálicos y les traía grandes pérdidas económicas. En el presente proyecto se ha enfocado en disminuir los costos de producción del cuarto de secado de pintura en polvo, así como de diseñar un sistema más compacto tratando de eliminar ductos o distancias innecesarias sin dejar a un lado el objetivo principal del proyecto, el secado uniforme de los tableros eléctricos..

(30) 1. CAPÍTULO I FUNDAMENTOS Este capítulo presenta una visión global de la empresa SOLELEC S. A.; ya que los gastos de adquisición de tableros eléctricos son muy elevados, en comparación con los costos de fabricación de dichos tableros. El estudio principal de este capítulo se basa: en la pintura electrostática, el material que se realiza para el pintado (tol galvanizado), proceso de aplicación de la pintura, las pruebas que deben realizarse para comprobar el buen acabado de la pintura electrostática en el tablero, etc.. Tabla 1. 1 Pre – proceso para el pintado de pintura electrostática. Pre – Tratamiento Número Proceso 1 Desengrasado 2 Fosfatizado 3 Secado. Tabla 1. 2 Tratamiento de galvanizado. Tratamiento Número Proceso 1 Desengrasado 2 Enjuague 3 Decapado 4 Enjuague 5 Flux 6 Zinc Fundido Elaboración: Propia..

(31) 2. 1.1 ESTUDIO DE LA PINTURA ELECTROSTÁTICA La pintura en polvo es una mezcla homogénea de cargas minerales, pigmentos y resinas en forma sólida, en forma de partículas finas, que se aplica con un equipamiento especial (pistola electrostática para polvo), en el que se mezcla con aire y se carga eléctricamente. Las partículas cargadas eléctricamente se adhieren a la superficie a ser pintada, que está conectada a tierra. Las partículas de pintura en polvo que permanecen adheridas a la pieza por carga estática son inmediatamente calentadas en un horno donde se transforman en un revestimiento continuo.. 1.1.1. ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LA PINTURA EN POLVO1. Este tipo de pintura en polvo está constituido fundamentalmente de resinas, que son las encargadas de dar el brillo, además para que la superficie alcance características de acabado, adherencia, resistencia a la corrosión y durabilidad, muy superiores a los procesos de pinturas tradicionales. Para obtener un buen recubrimiento en la pieza se recomienda que la pintura posea un porcentaje entre el 50 - 55% del peso total de resina. Además se constituye de endurecedores que son los encargados de reaccionar con las resinas y formar la polimerización. Este tipo de endurecedor varía dependiendo del tipo de resina que se vaya a utilizar, por lo tanto, el porcentaje de endurecedor dentro de la pintura se tomaría como una constante dependiendo de la resina utilizada. Otro componente importante, son los pigmentos, encargados en dar el color a la pintura. De igual manera, no existe un porcentaje exacto ya que depende de la tonalidad y color exacto que se necesite. Entre las principales características que deben tener los pigmentos es no decolorarse al momento del secado, es decir, soportar altas temperaturas. Por último y no menos importantes se encuentran las cargas y los aditivos; las cargas son las encargadas de brindar importantes propiedades mecánicas como son la 1. http://www.igm.mex.tl/imagesnew2/0/0/0/0/1/6/9/7/5/8/Pintura%20Electrostatica.pdf.

(32) 3 resistencia al impacto, además de quitar brillo excesivo que dejan la cantidad excesiva de resina en la pintura. Los aditivos, siendo el componente de menor porcentaje dentro de la pintura, son los encargados del aspecto y acabado de la pintura para que llegue a ser homogénea. Cuando la pintura se funde los componentes químicos, en este caso las resinas, reaccionan entre sí formando una película. El resultado es un revestimiento uniforme, de alta calidad, adherido a la superficie, atractivo y durable.. 1.1.2. PROPIEDADES MECÁNICAS2. Analizando sobre chapas desengrasadas y debidamente fostatizadas, con un espesor de 50 a 60 micras, técnicamente polarizadas de acuerdo con los ciclos recomendados se tienen las siguientes propiedades: 1. Brillo Gradener a 60º UNE 48026. 85%. 2. Resistencia a cuadricula UNE 48099. 100%. 3. Dureza Presos UNE 48024. 250 DOS.. 4. Dureza lápiz INTA 160302. 2H. 5. Embutición Ericen UNE 48183. 8 mm. 6. Plegado cilíndrico UNE 48169 con mandril de 5mm. Excelente. 7. Ensayo de Impacto INTA 160266 con bola 12.5. Directo e inverso,. mm de diámetro.. 2. 70kilos/cm². TAMAYO, EDWIN; Diseño y construcción de un horno para el curado de pintura electrostática; TESIS EPN; 1995..

(33) 4. 1.2 COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE PINTURAS3 Entre las principales tipos de pintura electrostática se puede mencionar a 3, que representan el mayor porcentaje de consumo dentro de las industrias, entre las cuales tenemos: la epoxi, la poliéster-Tgic y la epoxi/poliéster (hibrida). Cada uno de este tipo de pinturas se utilizan para diferentes aplicaciones, con lo cual se debe tener en cuenta: la corrosión, la resistencia al impacto y si se encuentran en el interior o exterior.. 1.2.1. EPOXI. Pintura Constituida por resinas epoxi puras, fueron las primeras desarrolladas y se las utilizan principalmente en piezas que precisan una alta resistencia química, se. Temperatura (°C). recomienda para uso en interiores con fines funcionales. 220 210 200 190 180 170 0. 5. 10. 15. 20. 25. Tiempo (min). Figura 1. 1 Tiempo de curado de la pintura epoxi Elaboración: Propia.. 1.2.2. EPOXI - POLIÉSTER. Pintura constituida por resinas poliésteres endurecidas por resinas epoxis, son de uso extendido para aplicaciones interiores. Ver el tiempo de curado para esta pintura en la Fig. 1.2.. 3. http://www.igm.mex.tl/imagesnew2/0/0/0/0/1/6/9/7/5/8/Pintura%20Electrostatica.pdf.

(34) 5 1.2.3. POLIÉSTER T.G.I.C. Pintura constituida por resinas poliéster endurecidas por triglicidil isocianurato; desarrolladas principalmente para uso exterior, con una excelente resistencia UV. Ver. Temperatura (°C). el tiempo de curado para esta pintura en la Fig. 1.3. 210 200 190 180 170 160 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. Tiempo (min). Figura 1. 2 Tiempo de curado de la pintura epoxi – poliéster (híbridas). Temperatura (°C). Elaboración: Propia.. 300 200 100 0 0. 5. 10 15 Tiempo (min). 20. 25. Figura 1. 3 Tiempo de curado de la pintura poliéster T.G.I.C Elaboración: Propia.. Como se puede observar en la Tabla 1.3, el tipo de pintura electrostática que posee mejores propiedades físicas, químicas y mecánicas, son la pintura Poliester/Tgic, sin embargo al hablar de costos es un tipo de pintura de costo muy elevado, ya que tiene resinas poliéster endurecidas por triglicidil isocianurato; y fueron fabricados para que dichos objetos sean utilizados exteriormente..

(35) 6 Tabla 1. 3 Tabla comparativa de características. Epoxi. Híbridas. Poliéster/Tgic. Dureza. excelente. muy buena. muy buena. Flexibilidad. excelente. excelente. excelente. Resistencia al sobre-horneo. mediocre. muy buena. excelente. Resistencia al exterior. mala. mala. excelente. Resistencia a la corrosión. excelente. muy buena. muy buena. Resistencia Química. muy buena. excelente. muy buena. Propiedades Mecánicas. regular. buena. muy buena. Fuente: www.igm.mex.tl/imagesnew2/0/0/.../Pintura%20Electrostatica.pdf (Wiley, & Sons, 2002). De acuerdo a la empresa SOLELEC S. A., los tableros eléctricos son fabricados para utilizarlos interiormente, por lo que no necesitan buenas propiedades al exterior. Por lo que utilizar el tipo de pinturas hibridas es una muy buena opción tanto físicamente como económicamente ya que son de un costo económico menor a comparación de la Poliester/Tgic.. 1.3 TRATAMIENTO DE GALVANIZACIÓN A pesar de que el tratamiento es relativamente simple, todas las etapas del tratamiento se deben controlar exactamente, para obtener un recubrimiento de óptima calidad y sobre todo que proteja al acero de la corrosión, al posible peligro de daños metálicos, etc. Las etapas del galvanizado se distribuye en orden específico empezando con desengrasado, enjuague, decapado, enjuague, flux..

(36) 7 1.3.1. DESENGRASADO. Consiste en remover de la superficie del acero residuos de grasas, aceites, entre otros tipos de lacas y pinturas. Comúnmente se utilizan compuestos desengrasantes alcalinos. Se utilizan las soluciones alcalinas por su menor costo y mucho más eficientes.. 1.3.2. ENJUAGUE. Mediante agua limpia, se realiza el enjuague para evitar el traslado de líquido de la limpieza cáustica al decapado.. 1.3.3. DECAPADO. Su finalidad es remover los óxidos de la superficie del acero. Comúnmente se utilizan soluciones a base de Ácido Clorhídrico o Sulfúrico, ya que operan a temperatura ambiente y su contaminación es menor en las siguientes etapas. La utilización de un aditivo que contenga inhibidor es primordial, ya que cuando se pone en contacto el ácido con el acero, se disuelve el metal. Entre los principales aditivos están aquellos que eviten la emanación de neblina acida e idealmente que ayuden a la limpieza adicional del metal.. 1.3.4. ENJUAGUE. Nuevamente se realiza un enjuague con agua limpia para evitar el traslado de ácido y hierro en solución, ya que contaminan el flux y el zinc fundido. De igual manera como en el proceso de decapado, existen aditivos que disminuyen considerablemente el traslado de estos contaminantes..

(37) 8 1.3.5. FLUX. Su función principal es disolver los óxidos leves que se han formado en la superficie del acero, luego de haber pasado por las etapas del decapado y lavado. Se utiliza una solución acuosa de Cloruro de Zinc y Amonio, la cual protege a la superficie para que no vuelva a oxidarse y asegure un recubrimiento uniforme de zinc en el proceso posterior del galvanizado. Para un óptimo desempeño del proceso flux, posteriormente las piezas deben secarse y precalentarse antes de sumergirlas en el galvanizado. Para el proceso flux existen varios tipos de compuestos de Cloruro de Zinc y Amonio. De igual manera existen otros fluxes que admiten mayor tiempo de secado, mayor temperatura de precalentado, que ayuda al siguiente proceso; todo esto depende de la optimización del desengrasado, decapado y enjuague del acero. Entre los principales requerimientos para el proceso flux están: ·. La disminución de emisión de humos y cenizas, lo cual influye en la calidad del galvanizado. Esto se puede evitar utilizando fluxes que soporten mayores temperaturas.. ·. La disminución de presencia de contaminantes durante el proceso flux y las pérdidas de zinc.. ·. El hierro en forma de sales solubles, arrastrado desde el decapado a su lavado posterior es el contaminante más crítico. Ya que aumenta la formación de escoria en la masa fundida de zinc, lo cual crea capas desiguales en la siguiente etapa del galvanizado.. ·. Mantener una baja concentración de hierro en el proceso flux ajustando el PH alrededor de 5. Lo cual mantendrá el hierro soluble por debajo de un 0.5%.. ·. Es primordial un horno de secado después del proceso flux tanto para el secado como para el precalentamiento. Pero si no existiese un horno de secado es conveniente operar el flux a una temperatura entre 55 – 75 °C..

(38) 9 1.3.6. ZINC FUNDIDO. Para finalizar el proceso de galvanizado, se sumerge el acero en un crisol de zinc fundido a 450 °C para que se adhieran, y se forme una capa uniforme. La reacción de difusión entre los metales da como resultado la formación de una barrera impermeable que protege a las superficies metálicas del medio ambiente. Aspecto del Recubrimiento ETA 100% Zn ZETA 94% Zn 6% Fe DELTA 90% Zn 10%Fe GAMMA 75% Zn 25%Fe ACERO BASE. 1.4 VIDA ÚTIL DEL ACERO GALVANIZADO El acero desprotegido tiene un promedio de vida de tan solo dos años antes de que se afecte su funcionalidad o integridad estructural, en cambio, los recubrimientos galvanizados obtenidos en instalaciones apropiadas, generalmente duran como mínimo diez años sin necesidad de mantenimiento alguno, incluso en las peores condiciones atmosféricas. En la tabla 1.4 se muestra los años de protección dependiendo del espesor de zinc y del tipo de atmósfera en la que se encuentra.. 1.5 PRE. PROCESO. DE. PINTADO. PARA. LÁMINAS. DE. TOL. GALVANIZADO CON PINTURA ELECTROSTÁTICA. Ya que el tol galvanizado se trata de un acero realizado un pre - tratamiento de galvanización, ya solo necesita de un pequeño procedimiento para poder aplicar la pintura electrostática..

(39) 10 Tabla 1. 4 Total de años de protección según el tipo de atmósfera. TIPO DE ATMÓSFERA RURAL. ESPESOR DE ZINC EN MICRONES 10 20 33 43 53 66 76 86 96 106 119 129 AÑOS DE PROTECCIÓN HASTA 5% DE OXIDACIÓN DE LA SUPERFICIE 7 12 19 25 31 38 43 50 57 62. 68. 74. MARINO TROPICAL 5 10 15 20 24 29 33 39 43 48. 53. 58. MARINO TEMPLADO. 4. 9 13 17 21 26 30 35 39 43. 48. 51. SUBURBANO. 3. 6 10 14 18 21 24 29 32 36. 40. 42. MODERADAMENTE 2 INDUSTRIAL. 4. 8 11 14 18 21 24 28 31. 34. 38. INDUSTRIAL PESADO. 2. 4. 21. 22. 1. 7. 9 11 13 15 15 19. Fuente: http://www.tecnomit.com.uy/Productos.html. El procedimiento para poder aplicar la pintura electrostática se divide en 3 principales fases: desengrasado, fosfatizado y secado.. 1.5.1. DESENGRASADO. Como en cualquier otro pre - proceso de pintado, se debe realizar una limpieza global de la pieza, principalmente para retirar grasas y aceites de la superficie a ser pintada. El desengrasado se realiza con un limpiador altamente alcalino entre 40 – 45 puntos de alcalinidad, compuesto principalmente por hidróxido de sodio, además de silicatos, carbonatos y emulsificantes solubles al agua en pequeñas cantidades. Su temperatura de trabajo es de 66 grados centígrados.. 1.5.2. FOSFATIZADO. Este tipo de proceso es indispensable antes del proceso de pintar, ya que la pintura no se adhiera uniformemente a la superficie de la pieza. El fosfatado como su nombre lo.

(40) 11 dice, es el proceso en el cual se pone en contacto a la pieza directamente con un recubrimiento de fosfato de zinc o hierro. Los cristales de fosfato y de zinc, forman una capa fina y densa, la cual puede ser modificada por el tiempo, condiciones de temperatura en el proceso y variaciones químicas. Por ser el tol galvanizado, un metal con un pre tratamiento de galvanización, se lo protege altamente del proceso de corrosión.. 1.5.3. SECADO. Una de las características importantes, antes de realizar el pintado de las placas de tol galvanizado es el secado previo, ya que una superficie seca y limpia, ayuda a que la pintura electrostática se adhiera mejor a las placas, y de esta manera tener una superficie uniforme sobre la placa y disminuir el consumo de pintura utilizada. Entre los objetivos principales que se puede nombrar están: ·. Alcanzar una temperatura suficiente para que se llegue a evaporar todo residuo de líquido, tanto del proceso de desengrasado como del fosfatado, ya que la adherencia. perfecta. de. la. pintura. depende. de. tener. una. superficie. completamente seca. ·. Si se puede elevar la temperatura de la placa, esto ayudaría ya que al aumentar la temperatura, la capa de espesor de 100 μm, que normalmente se adhiere aumentaría a 150 μm, que es lo más recomendable.. 1.6 PROCESO. PARA. LA. APLICACIÓN. DE. PINTURA. ELECTROSTÁTICA4 El proceso para la aplicación de la pintura electrostática se lo realiza con un equipo especial, en principio se asigna mangueras por las cuales circula la pintura en polvo, a 4. http://www.igm.mex.tl/imagesnew2/0/0/0/0/1/6/9/7/5/8/Pintura%20Electrostatica.pdf.

(41) 12 través de un sistema de vacío creado por aire comprimido a alta velocidad, que ingresa a una pistola de pulverización electrostática, y es la misma con la que aplicamos la pintura a los tableros eléctricos.. Figura 1. 4 Pistola para la aplicación de pintura electrostática Fuente: Francescutti, 2007.. Como regla general, cuando se realiza el pintado de pintura en polvo, el objeto a ser pintado debe estar conectado a tierra, ya que el polvo se encuentra cargado electrostáticamente. Posteriormente en un horno el polvo es endurecido, al momento que el tablero llegue a la temperatura establecida. Dicha temperatura varía según el espesor del tablero a ser pintado, pero se puede establecer un tiempo entre 20 y 25 minutos. También el tiempo depende de la clase de pintura aplicada al tablero. Existen pinturas que requieren menor tiempo y temperatura (150°C) pero con un costo más elevado, además existen otras pinturas que son las más usadas ya que su costo es menor pero el tiempo de secado aumenta así como la temperatura (170°C).. Figura 1. 5 Equipo para pintado de pintura en polvo Fuente: http://www.powdertronic.com/equipos/equipos.html.

(42) 13. 1.7 CICLONES O RECOLECTADORES DE PINTURA EN POLVO Los ciclones se encargan de la recolección de la pintura en polvo que no se adhirió a los tableros eléctricos, y por lo tanto este proceso se lo realiza directamente dentro de la cabina de pintado. Entre las principales ventajas de los ciclones tenemos: ·. Reducción de las pérdidas de pintura, gracias a los ciclones con 1 Kg de pintura en polvo puede alcanzar a pintar 15 m² de superficie.. ·. Reducción de las pérdidas de pintura en polvo, es un aspecto económico importante, ya que dicho polvo recuperado será reutilizado y aunque siempre habrá un porcentaje de perdida de dicho polvo, este será mínimo.. ·. Reducción del peligro de inhalación de pintura en polvo, ya que el tamaño de estas partículas varían entre 35 a 40 micrones y se mezclan fácilmente al aire circulante.. Figura 1. 6 Ciclón para pintura electrostática Fuente: http://www.olx.com.co/userlistings/TermoColor.

(43) 14. 1.8 SISTEMAS CONVENCIONALES PARA CUARTOS DE SECADO. 1.8.1. SISTEMAS ELÉCTRICOS. Este tipo de cuartos de secado o curado se emplea con resistencias eléctricas y convección forzada. También llamados cuartos electro – térmicos, este tipo de cuartos deja conducir una corriente eléctrica a través de un elemento resistivo que se encuentra rodeando por las paredes del cuarto de secado. También existen cuartos de secado que incrementan su temperatura desde el exterior, mediante un elemento calefactor que puede tomar la forma de una bobina de alambre enrollada e introducida en una tubo de material refractario. Este tipo de cuartos de secado son esenciales para aplicaciones donde el control de temperatura se necesite controlar de forma precisa.. Figura 1. 7 Hornos eléctricos para secado de pintura en polvo Fuente: http://www.mecahor.com/galeria/Photos/listing/hornos-de-coccion-y-estufas-de-secado-105/1. Además de un buen sistema de suministro de energía en el interior del horno, se necesita aire circundante, que es el encargado de homogenizar la temperatura dentro del horno. Por lo cual se requiere un estudio de la teoría de trasferencia de calor por convección forzada.. 1.8.2. SISTEMA INFRARROJO. Es un sistema de secado de pintura en polvo más avanzado tecnológicamente y que abarca a un sin número de aplicaciones, ya que se aplica a cualquier material, ya sea.

(44) 15 metal, madera, plástico u otro sustrato; sobre todo dará ventajas respecto a efectividad y velocidad de secado. Los sistemas infrarrojos se fundamentan en paneles que poseen radiación electromagnética y se transmite la energía térmica desde estos paneles hacia un material, cuerpo o recubrimiento. Entre las principales fuentes de producción de energías radiantes están las ultravioletas, de radio frecuencia o infrarrojas.. Figura 1. 8 Hornos infrarrojos para el secado de pintura electrostática. Figura 1. 9 Paneles infrarrojos Fuente: http://www.sarsot.com.mx/lampara-infrarroja.html. Entre las principales ventajas de los sistemas infrarrojos respecto a los sistemas que necesitan transporte de aire por convección forzada, es que no necesitan de dicho trasporte ya que dicha energía radiante permanece estática, por lo tanto los sistemas infrarrojos resultan más efectivos por su rapidez y menor costo operacional..

(45) 16 1.8.3. QUEMADOR A GAS. Los quemadores a gas cumplen la misma teoría de utilizar la convección forzada como medio de trasferencia de calor hacia los tableros eléctricos. Los quemadores son equipos especiales para poder realizar la combustión entre el gas y el oxígeno, que al mismo tiempo produce una llama, la misma que se aplica hacia el cuarto de secado.. Figura 1. 10 Horno a gas para pintura electrostática Fuente: http://www.cosmotex.net/hornos-industriales. Para un buen funcionamiento de los quemadores a gas se requiere tener: ·. Dimensiones y consumo de gas; estas dos características se relacionan entre si ya que al tener el cuarto de secado de dimensiones cada vez más elevadas, requiere mayor consumo de gas para mantener la temperatura idónea dentro del cuarto de secado.. ·. La alimentación eléctrica, la potencia eléctrica del motor y potencia térmica.. ·. Una buena estabilidad en la mezcla gas-aire, es decir en porcentajes suficientes necesarios para garantizar una buena combustión.. 1.9 CARACTERÍSTICAS ESENCIALES PARA EL SECADO DE LA PINTURA ELECTROSTÁTICA. ·. Entre las principales características de la pintura electrostática está aquella por la que solo necesita entre 5 y 10 minutos para que el secado sea perfecto, y no.

(46) 17 se tenga que esperar varias horas para que se seque completamente como pasa con la pintura líquida. ·. Otra característica muy importante es que se puede pintar hasta 15 metros cuadrados con 1 kg de pintura en polvo; no se chorrea, por lo que no se produce desperfectos al momento del secado.. ·. Una de las principales característica esta que solo se adhiere una capa muy fina, encima del objeto a ser pintado, por lo que se puede recoger y reutilizar la pintura que no fue ocupada.. 1.10 INSPECCIÓN DEL TABLERO PINTADO5 El buen acabado de pintura en el tablero eléctrico, depende de varios factores pero entre los principales están la temperatura y el tiempo de secado, estos 2 factores son los que predominan cuando se habla de un buen acabado en la pintura electrostática. Si se quiere obtener un pintado satisfactorio es fundamental respetar las condiciones de secado dadas por el fabricante de la pintura. De igual manera si no se respeta los rangos establecidos, puede existir un sobre secado, del cual se puede obtener consecuencias tales como: cambio de color, disminución de brillo, manchado y disminución o eliminación de las propiedades mecánicas.6 Existen varias maneras de comprobar que la pintura del tablero posea un buen acabado, como es: medición del espesor, evaluación de la adhesión y evaluación del secado.. 1.10.1 MEDICIÓN DEL ESPESOR La medición del espesor se lo realiza después del secado completo de los tableros y depende si ha alcanzado el espesor en el rango de aceptabilidad especificado. Dicho. 5. CARRILLO, G., GUERRERO, B.; Diseño, construcción y automatización de un horno para el curado de pintura electrostática para el centro de producción E.S.P.E sede Latacunga; Tesis ESPE; 2010. 6 Arnum, 2007.